Ciemnienie nieenzymatyczne- reakcja Maillarda:
To szereg złożonych reakcji chemicznych, jakim podlegają różne produkty pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Produktem tych reakcji są barwne związki: melanoidyny(masa do 100kDa) i związki niskocząsteczkowe, które odpowiadają za ciemne zabarwienie żywności. Co więcej produkty tych reakcji mają także wpływ na smak, zapach i atrakcyjność produktów spożywczych. Reakcje te zachodzą podczas termicznego przetwarzania żywności, jak i jej długotrwałego przechowywania. Barwniki powstające w tej reakcji występują w dużych ilościach w ziarnach kawy, kakao, chlebie i miodzie. Aby zapobiec zachodzeniu reakcji w żywności należy ją schłodzić lub zamrozić. Produktami podatnymi na ciemnienie są artykuły zbożowe, mlczarskie(laktoza),
Przebieg reakcji Maillarda (jakie związki reagują ze sobą, definicja produktu Amadori, drogi dalszych przemian produktu Amadori);
Etap wczesny
Substrat-cukier redukujący, różne aldehydy i ketony kondensuje łatwo ze związkiem zawierającym wolną grupę aminową(aminokwas, peptyd, białko). Powstają zasady Schiffa, a następnie N-podstawione glukozyloaminy(aldozo amina lub ketozoamina). Produkt reakcji jest bezbarwny.
A-kondensacja
B-gwałtowna utrata wody
C-reakcja cyklizacji
Drugą reakcją jest przegrupowanie Amadori, które prowadzi do wytworzenia się 1-amino-2-deoksyketozy. Przegrupowanie Amadori wymaga jako katalizatora obecności jonów wodorowych. Funkcje tę może spełniać grupa karboksylowa aminokwasu. Produkt reakcji jest bezbarwny.
W przypadku ketoz, N-podstawione glukozyloaminy ulegają przegrupowaniu Heynsa.
Etap zaawansowany
Produkt Amadori(fruktozo lizyna, laktozolizyna, fruktozoarginina) może podlegać enolizacji 2,3 lub 1,2, która zachodzi głównie w warunkach łagodnych, jakie przeważają w produktach żywnościowych.
Enolizacja 1,2: Po odszczepieniu grupy hydroksylowej w pozycji 3 (reakcja odwodnienia) tworzy się zasada Shiffa, której hydroliza prowadzi do 3-deoksyozulozy. Jest to związek o charakterze α-dikarbonylu
Powstała 3-deoksy-2-ozuloza jest względnie stabilna w środowisku obojętnym, ulega dalszym przemianom w środowisku zasadowym jak również kwaśnym. Następnie odszczepienie grupy hydroksylowej przy C-4(odwodnienie) daje nienasyconą ozulozę. W środowisku kwaśnym, w wyniku odwodnienia przechodzi w furfural(pochodna pentoz lub hydroksymetylofurfural(pochodna heksoz).
3-deoksyozuloza może też ulegać reakcji fragmentacji. Dalsze odwodnienie powstałego związku prowadzi do wytworzenia furanów i piroli. 3-deoksyonulozy, szczególnie pochodne pentozy, a także główne produkty ich degradacji są kluczowymi związkami pośrednimi w formowaniu niskocząsteczkowych związków barwnych.
αfragmentacja dikarbonyli
W wyniku enolizacji 2,3 powstaje 1-deoksy-2,3-diuloza(ma 2 gr. ketonowe) lub 1-amino-1,4dideoksy-2,3diuloza. Ten drugi produkt powstaje w wyniku degradacji przede wszystkim disacharydów.
1-deoksy-2,3-diulozy są bardzo reaktywne. Ich dalsza degradacja prowadzi do wytworzenia furanonów, które są związkami zapachowymi, a ponadto prekursorami związków barwnych. Odwodnienie 1-deoksy2,3-diulozy w pozycji C-6 prowadzi do utworzenia acetyloformoiny(wysoce reaktywna, prekursor związków zapachowych, smakowych i barwnych). Ponadto 1-deoksy-2,3-diulozy ulegają łatwo procesom fragmentacji, w wyniku których powstają reaktywne związki takie jak metyloglioksal, aldehyd glicerynowy, diacetyl.
Odwodnienie 1-amino-1,4-dideoksy-2,3diulozy prowadzi do wytworzenia aminoacetylofuranów, których przedstawicielem jest furozyna. Aminoacetylofurany łatwo wchodzą w reakcje oksydacji i kondensacji.
Degradacja Streckera aminokwasów jest ważną przemianą prowadzącą do powstania związków zapachowych. Podczas tej reakcji α-dikarbonyle powodują oksydacyjną dekarboksylację aminokwasów, co prowadzi do powstania aldehydu krótszego od wyjściowego aminokwasu o jeden atom węgla (aldehyd Streckera). Aldehydy te, szczególnie pochodne metioniny, tryptofanu, fenyloalaniny i leucyny maja bardzo niskie progi wyczuwalności. α-dikarbonyle są przekształcane do α-aminokarbonyli, które mogą uwalniać amoniak albo kondensować do wielu związków heterocyklicznych, takich jak pirole i pirazyny.
Etap końcowy
Końcowy etap reakcji Millarda obejmuje wiele zachodzących po sobie reakcji: cyklizację, dehydratację i kondensację. W wyniku tego powstają barwne związki: melanoidyny lub zwiąki niskocząsteczkowe.
Warunki zajścia reakcji: wpływ pH i rodzaju substratu.
Czynnikami sprzyjającymi reakcji Millarda jest: podwyższone pH roztworu, podwyższona temperatura i duże stężenie substratów. Na reakcje mają wpływ także charakter cukru, jego budowa, forma cukru-pierścieniowa lub łańcuchowa
pH: podwyższone pH sprzyja ciemnieniu żywności. Poniżej pH 5-6 reakcja jest powolna, ale szybo wzrasta z podnoszeniem się pH. pH wpływa nie tylko na tempo reakcji, ale także na przebieg jakościowy. W odczynie alkalicznym brunatnienie przebiega przez azotowe związki pośrednie.
Podczas reakcji zachodzi zmiana kwasowości środowiska, dlatego też reakcja ma inny przebieg w środowisku zbuforowanym niż niezbuforowanym. Bufor może odgrywać rolę katalizatora reakcji.
Temperatura: Wzrost temp. O 10C przyspiesza reakcję 2-3, a nawet 3-4 krotnie. Cukry w roztworach występują w formie łańcuchowej i cyklicznej. Wysoka temp. Powoduje uwolnienie gr. Ketonowej poprzez przejście cukru do formy łańcuchowej.
Woda: reakcja Millarda najlepiej zachodzi w produktach o zawartości wody ok. 10-15%. Rozcieńczenie roztworów(zmniejszenie stężenia substratu) obniża szybkość reakcji. Odwodnienie produktów-usunięcie wody wolnej- ogranicza dyfuzję substratów, co ogranicza szybkość reakcji.
Rodzaj substratu: Na reakcje mają wpływ także charakter cukru, jego budowa, forma cukru-pierścieniowa lub łańcuchowa. Cukry proste łatwiej ulegają otwieraniu pierścienia. Najlepsze dla reakcji ciemnienia są pentozy, mniej heksozy, a najmniej podatne na ciemnienie są oligosacharydy(muszą najpierw ulec rozkładowi d cukrów prostych).
Obecność tlenu sprzyja zachodzeniu reakcji Millarda.
Fruktoza: rozkłada się łatwiej niż glukoza i szybciej wchodzi w ciąg reakcji Millarda(podczas pieczenia chleba itp.)
Sacharoza jest cukrem nieredukującym i hamuje/opóźnia ciemnienie.
Laktoza: jako cukier redukujący wchodzi w ciąg reakcji Millarda, co jest niepożądane w przetworach mlecznych.